電解質溶液中における気泡流の流動構造解明とモデリング

电解质溶液中气泡流动的流动结构阐明和建模

基本信息

批准号：
08J01227
负责人：
佐藤文香
金额：
$ 0.77万
依托单位：
Hirosaki University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
财政年份：
2008
资助国家：
日本
起止时间：
2008 至 2009
项目状态：
已结题

来源：
https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-08J01227/
关键词：
気泡電解質合体反発単一気泡電解質溶液自由表面

项目摘要

本研究では,高精度な気泡径制御が可能な気泡発生装置を用い,電解溶液中のイオン濃度やイオンの種類,さらに気泡径を様々に変化させたときの気泡の合体・反発条件を実験的に調査した.実験では,超純水,塩化ナトリウム,塩化カリウム水溶液中における単一上昇気泡と自由表面との合体・反発を観察した.塩化ナトリウムの添加により,気泡と自由表面との最大反発回数は顕著に増加した.このことから,電解質の添加により気泡間の合体が抑制されることが示された.また,気泡と自由表面との合体・反発の境界は気泡前方の曲率半径,接近速度を用いたウェーバー数で整理でき,水溶液の濃度の増加とともに,合体・反発の境界となる臨界ウェーバー数は減少することが明らかとなった.これは,電解質の添加による効果がウェーバー数という流体力学的なパラメータによって整理できる,すなわち衝突直前の流体力学的メカニズムが重要であることを表しており,電解質の添加が気泡の合体におよぼす影響を考察する上で重要な知見である.さらに本研究では,電解質の添加とWe数の減少との関連性をより具体的に明らかにするため,気泡が自由界面に接近したときの気泡,自由界面の挙動のモデル化を試みた.単一上昇気泡と自由界面との反発の観察とモデル化では,気泡と自由界面をそれぞれ線形バネと仮定し,単純な質点-バネ系の運動方程式を用いて,気泡の反発現象を記述した.実験結果との比較により,本モデルは,気泡の反発過程を良く表すことが示された.モデルと実験結果との比較から,気泡径が小さい場合において,気泡と自由界面の変形は共に重要な因子である一方,気泡径が大きい場合は,気泡の変形は非常に小さく自由界面の変形が現象を支配している重要なパラメータであることが明らかとなりた.このモデル化は現在のところ流体力学的因子のみを考慮するに留まるが,今後,電解質の添加による臨界We数の減少も考慮に入れることで,電解質の合体抑制効果をモデル化できると期待される.

在本研究中，我们使用可以高精度控制气泡直径的气泡发生器，通过实验研究了当改变电解液中的离子浓度和离子类型以及气泡直径时气泡的聚结和排斥条件。实验中使用超纯水、氯化钠、我们在氯化钾水溶液中观察到单个上升气泡与自由表面之间的聚结和排斥。氯化钠的添加显着增加了气泡与自由表面之间的最大反弹次数。这表明电解质的添加抑制气泡之间的聚结还表明，气泡与自由表面之间的聚结和排斥之间的边界可以通过使用气泡前面的曲率半径和接近速度的韦伯数来组织，并且随着水溶液浓度的增加，聚结和排斥之间的边界变得很明显，临界韦伯数减小。这表明电解质添加的影响可以用一个称为韦伯数的流体动力学参数来概括，即碰撞前的流体动力学机制很重要，并且电解质的添加对气泡的聚结影响。这是一个值得考虑的重要发现。此外，在本研究中，为了更具体地阐明电解质的添加与We数减少之间的关系，我们研究了当气泡接近气泡时气泡与自由界面之间的关系。我们尝试对单个上升气泡和自由场的行为进行建模。在观察和建模表面排斥时，我们假设气泡和自由界面是线性弹簧，并使用质量弹簧系统的简单运动方程来描述气泡排斥现象。气泡排斥过程良好。通过模型与实验结果的对比发现，当气泡直径较小时，气泡的变形和自由界面都是重要因素，而当气泡直径较大时，气泡的变形非常大。小且自由界面的变形是控制该现象的重要参数。目前，该模型仅考虑流体动力学因素，但在未来，还可以通过考虑由于添加电解质而导致的临界We数的降低来抑制电解质的聚结。效果可以被建模。